Transistores FÍS.

Categoria:

Física

Reciben este nombre un cierto número de estructuras electrónicas formadas por sustancias sólidas semiconductoras. El t. es un dispositivo amplificador (v.) semiconductor (v.), que en muchos aspectos se ha mostrado superior a la válvula electrónica, habiéndola desplazado en muchas de sus posibilidades de uso. El t. tiene a su favor, respecto de la válvula de vacío: su reducido tamaño, no necesita potencia calefactora de cátodo, el rendimiento en conversión de potencia es muy elevado, no presenta perturbaciones microfónicas, su vida es extremadamente dilatada, es menos frágil y de precio más reducido, frente al de aquéllas, a igualdad de prestaciones. Tiene también ciertos inconvenientes: gama de frecuenciasde aplicación más reducida, potencias de salida más bajas y temperatura admisible de ambiente de trabajo nienos elevada.

1. Física de la semiconducción. En las substancias semiconductoras (v.), los átomos (Y.) están ordenados según una estructura estercométrica tetravalente, de modo que pueden tener electrones compartidos con los átomos contiguos, formando los enlaces covalentes (V. ENLACES QUÍMICOS, 3). Los electrones, que forman la nube negativa que rodea al núcleo positivo de un átomo, están situados, según su energía, en las bandas orbitales de energía. Los electrones de valencia, que forman los enlaces covalentes, ocupan bandas de energía llenas, que se solapan de unos átomos a otros. Para que los electrones de valencia pasen a la banda de energía superior (banda de conducción) es preciso que adquieran una energía adicional. En los semiconductores, esta energía adicional es pequeña, y la simple agitación térmica, a temperatura ambiente, eleva los electrones de valencia a la banda de conducción, dejando huecos vacantes que se rellenan con otros electrones de la misma banda de energía. Los huecos vacíos de electrones se denominan huecos positivos. La conducción eléctrica en los semiconductores puede realizarse por el movimiento de electrones en la banda de conducción, o por el movimiento de huecos positivos en la banda de valencia. r_stos son los semiconductores intrínsecos.

Los procesos internos en un semiconductor pueden modificarse por la presencia de pequeñas cantidades de impurezas, especialmente cuando las impurezas consisten en átomos con cinco o tres electrones de valencia. En el primer caso, el átomo de impurezas puede reemplazar a un átomo de germanio o silicio (elementos semiconductores más importantes) en la red cristalina; así, cuatro electrones forman el enlace covalente y uno queda libre. La energía de ese electrón es un poco menor que la correspondiente a la banda de conducción del semiconductor y térmicamente se le puede elevar a dicha banda y contribuir así a la conducción eléctrica. Este tipo de impurezas (fósforo, arsénico) se conocen con el nombre genérico de dador, ya que cede un electrón a la banda de conducción del semiconductor. Los semiconductores con estas impurezas se denominan semiconducto,res tipo-n (portadores negativos). Cuando la impureza está formada por átomos de valencia tres, y uno de estos átomos reemplaza a uno de germanio o silicio en la red cristalina, aparece un hueco positivo accesible a los electrones de valencia del semiconductor, ya que la energía del nivel que corresponde a ese hueco queda por encima y muy cerca de la banda de valencia. Todo electrón que salta a la impureza deja tras de sí un hueco positivo que contribuye a la conducción eléctrica. Estos semiconductores se llaman semiconductores tipo p (portadores positivos), y la impureza (aluminio, indio, boro), aceptador. La fig. 1 representa los diagramas energéticos correspondientes al semiconductor intrínseco, al tipo "n" y al tipo "p".

La concentración de impurezas en los semiconductores (normalmente un átomo de impureza por 108 átomossemiconductores) cambia la conducción eléctrica. La, influencia de la temperatura es decisiva.

Si artificialmente se unen un semiconductor tipo "p" con uno tipo "n", en las proximidades de la superficie de unión aparece un proceso de difusión. El exceso de electrones conductores en el semiconductor tipo "n" provoca un gradiente en la concentración de cargas eléctricas libres y permite el paso, a través de la discontinuidad, de electrones del material "n" al "p". De igual modo, hay una difusión de huecos positivos del material "p" al "n". Al cabo de cierto tiempo, el semiconductor tipo "p" se carga negativamente, y el "n", positivamente, y se establece un campo eléctrico que se opone al movimiento de las cargas, distribuyéndose el potencial a través de la superficie de separación, según se muestra en la fig. 2. Hay equilibrio cuando la corriente media es nula.

2. Física del transistor. La fig. 3, presenta dos tipos diferentes de sandwich formado por dos capas de semiconductor tipo "p" ("n") entre las que se sitúa una delgada capa de semiconductor tipo "n" ("p"). La estructura de la fig. 3 forma el t. de unión; aunque no todos los t. presentan estructuras idénticas a ésta, su análisis ayuda a comprender el proceso en el movimiento de portadores eléctricos en el interior del t., y, por tanto, el comportamiento global del transistor.

El t. consiste en la yuxtaposición de dos uniones "pn" ("np"). Hay dos tipos posibles: t. pnp y t. npn. La operatividad de ambos es conceptualmente idéntica, excepto en el intercambio de portadores mayoritarios y minoritarios, así como en la polaridad eléctrica externa que se aplica a los mismos. En la fig. 3 se muestran también los esquemas simbólicos del t. como elemento de un circuito. Las tres zonas de un t. se denominan: emisor, base y colector. La flecha en el terminal emisor indica el sentido de circulación de corriente.

La fig. 4(A) muestra el montaje de un t. como elemento de un circuito. El t. es un "pnp", con dos fuentes de tensión que polarizan las uniones emisor-base y colectorbase. La fig. 4(13) presenta la variación de potencial en un t. no polarizado, o sea, en circuito abierto; el esquema (C) de la fig. 4 esquematiza la variación del potencial interno en el t. polarizado. La curva de puntos da la distribución anterior a la aplicación de los campos eléctricos externos, y la curva continua la distribución obtenida después de aplicar la polarización externa. En ausencia de voltajes externos, las barreras de potencial en las uniones se ajustan por sí mismas al valor Vo (décimas de voltios); lo que hace que no circule corriente. Al aplicar tensiones eléctricas externas, éstas aparecen en las uniones; así, la polarización positiva de la unión emisor-base hace descender la barrera de potencial en un valor igual al voltaje de polarización externo, VEB, mientras que la polarización negativa de la unión colector-base incrementa en VcB la barrera de potencial correspondiente. El descenso de la barrera emisor-base hace que aumente la corriente de emisor y que se inyecten huecos positivos en la base. El potencial es constante a lo largo de la base (resistencia óhmica despreciable) y los huecos inyectados se difunden a través del semiconductor tipo "n" hacia la unión colector-base, cayendo posteriormente, por el descenso de potencial, y siendo "recogidos" por el colector.

La corriente de emisor IE está formada por los huecosernisor-base, I,E, y la corriente de electrones 4E (baseemisor). La relaciónIPE11,1Ees función directa de las conductividades de los materiales "p" y "n". El t. "pnp" tiene un emisor con más impurezas que la base, de modo que la corriente de emisor está fundamentalmente constituida por huecos. Por otra parte, no todos los huecos que cruzan la frontera emisorbase alcanzan la unión colector-base, debido a recombinaciones con electrones en el semiconductor base. Si Ipc es la corriente de huecos en la unión colector-base, la corriente de recombinación esIPE - IPC*Con el emisor en circuito abierto, IE=0,al igual que I,c, actuando el conjunto base-colector como un diodo inversamente polarizado, siendo la corriente de colector Ic igual a la corriente inversa de saturación Ico. CuandoIE 7~: 0(fig. 5), se observa que1, = ICO - Ipc.

Para un t. "pnp", Ico está formada por los huecos que cruzan la frontera colector-base y por los electrones que la atraviesan en sentido opuesto. Los sentidos de la fig. 5 hacen referencia a un t. "pnp"; si el t. fuese "npn", los sentidos serían los contrarios.

Como puede deducirse de la fig. 5, la polarización "directa" del emisor representa para el movimiento de los electrones una resistencia eléctrica muy pequeña, mientras que la polarización "inversa" del colector implica una resistencia eléctrica muy grande. Dado que la corriente es casi idéntica en ambos, resulta una amplificación (ganancia) de potencia muy grande.

El t. se caracteriza por un coeficiente a, denominado factor de ganancia de corriente, y que es la relación entre las corrientes de colector y emisor, siendo constante el voltaje en el colector. El factor de ganancia a no es una constante, sino que varía en función de IE, VcB y de la temperatura, es además un coeficiente positivo, siendo su valor típico comprendido entre 0,90 y 0,995. El valor a está relacionado por la ecuacióna=ey,con otros coeficientes importantes. y es la eficiencia o rendimiento del emisor, o sea, la fracción de la corriente a través de la unión emisor-base, que se realiza por huecos (t. "pnp"); E es el factor de transporte, que relaciona la corriente de colector y la de huecos inyectada en la base desde el emisor. La fig. 5 presenta, en esquema, las corrientes eléctricas en el t., en las que la corriente de emisor IE actúa como parámetro.

3. Construcción de transistores. Cinco son las técnicas básicas para la fabricación de t. y dispositivos semiconductores: la técnica de crecimiento extrae un monocristal de una masa fundida de silicio o germanio, cuya concentración de impurezas se cambia durante la extracción del cristal añadiendo átomos "n" o "p", según el caso. En la técnica de aleación o fusión, la sección central (base) del t. es una oblea delgada tipo "n", a la que se adosan dos pastillas de indio a cada lado de la misma y se somete el conjunto durante un tiempo pequeño a una temperatura elevada, superior al punto de fusión del indio, pero inferior a la del germanio, de manera que el indio disuelve el germanio más próximo, y se forma una solución saturada. Al enfriarse el germanio en contacto con la base, recristaliza con una concentración de indio suficiente para cambiarlo de tipo "n" a "p". En esta técnica, el colector se hace de mayor tamaño que el emisor para que, subtendiendo un ángulo mayor, la corrientede emisor que se deriva hacia el terminal base sea mínima. La técnica de grabado electrolítico consiste en reducir el espesor de una capa semiconductora en su zona central, depositándose a continuación por procesos electrolíticos, y sobre la zona rebajada, un metal adecuado que formará el emisor y el colector; así se constituye el t. de barrera superficial, de pequeño interés comercial en la actualidad.

Es de importancia fundamental la consecución de dimensiones muy pequeñas de las diversas zonas del t., de modo que el comportamiento del mismo en altas frecuencias sea satisfactorio. Esto es difícil mediante las técnicas ya analizadas, teniéndose que recurrir a otras más complejas.

La técnica de difusión-mesa es más adecuada para la obtención de t. de alta frecuencia. Mediante esta técnica, la unión base-colector se efectúa colocando una capa de monocristal tipo "p" en la atmósfera de un gas caliente (p.ej., átomos de antimonio). Cuando el monocristal se calienta, los átomos de gas se difunden en él hasta profundidades de 10-3 mm., y seguidamente el cristal es químicamente corroído para producir una pequeña región elevada, o "mesa", de unos 22 mm. de diámetro. Sobre la superficie de la mesa, adecuadamente enmascarada, se dejan expuestas dos regiones de unos 0,3 mm. de diámetro, de manera que metales apropiados se depositen sobre ellas por evaporación en vacío; en una etapa posterior el conjunto es mantenido a una temperatura bastante elevada para que los dos depósitos metálicos se difundan en la región "n". Se obtiene así un emisor de tipo "p" con uno de los depósitos metálicos, mientras que el otro hace contacto metálico conductor con la base. Con la técnica de difusión-planar, semejante a la anterior, la superficie de la unión colector-base se forma mediante una difusión a través de una máscara previamente fotograbada para luego difundir el emisor sobre la base, creciendo, por último, una capa de dióxido de silicio sobre toda la superficie. La técnica epitaxial consiste en crecer una capa monocristalina de silicio o germanio muy delgada y de alta pureza sobre un sustrato fuertemente impurificado del mismo material; este cristal crecido forma el colector sobre el cual se difunden la base y el emisor. La fig. 6 muestra las estructuras de los t. obtenidos con alguna de las técnicas examinadas.

Por su interés histórico, merece mencionar el primer tipo de t. inventado. Este dispositivo consta de dos hilos de tungsteno de puntas muy finas, que presionan sobre una oblea semiconductora. La fiabilidad y repetibilidad de este t. de contacto es muy deficiente; en la práctica, este t. no se utiliza. Varios cientos de t. pueden fabricarse simultáneamente, partiendo de un único lecho semiconductor de 1 cm. de diámetro; luego se separan y se encapsulan.

4. Curvas características. Las características operacionales del t. se muestran mediante curvas representativas de su comportamiento. La fig. 7 presenta dos series de tales curvas. En la primera de ellas aparece la variación de la corriente en el colector respecto del voltaje en el mismo colector, cuando la corriente en el emisor toma ciertos valores fijos; obsérvese que las curvas son planas, rectas y uniformemente espaciadas, lo cual indica la gran utilidad del t. como amplificador. Prácticamente, la corriente de emisor determina la corriente de colector con independencia del voltaje en el colector. Las curvas de la fig. 7(A) son típicas de un t. de unión en la disposición de base común, o sea, cuando la base actúa como punto común en el circuito. En la fig. 7(13) aparece también la variación de la corriente de colector cuando varía el voltaje en el colector, pero para un cierto número de valores de corriente de base. En este caso, el emisor del t. es el punto común (emisor común). En estas curvas se observa que la corriente en el colector no es independiente del voltaje en el mismo, lo que indica que la resistencia de salida del t., en este tipo de conexión, es muy pequeña. También la corriente de base es pequeña, lo que significa que la resistencia del circuito base-emisor es moderadamente alta. Este resultado contrasta con los altos valores de corriente de emisor que aparecen en la fig. 7(A).

La determinación de los parámetros del t., partiendo de circuitos como los empleados en la obtención de las curvas de la fig. 7, es difícil de realizar con mediciones directas en los t. reales. Por esta razón se acude a "circuitos equivalentes" que facilitan el análisis del transistor. Todo circuito electrónico con dus terminales de entrada y dos de salida, independientemente de la mayor o menor complicación interna del mismo, puede, para su análisis, considerarse como un cuadripolo como el presentado en la fig. 8, junto con las ecuaciones que lo caracterizan. Los coeficientes hil, h]2, h2l y h22 se denominan parámetros h o híbridos, ya que no son homogéneos dimensionalmente; si no existen elementos reactivos dentro del cuadripolo (dentro del t.), los parámetros "h" son siempre números reales. El modelo matemático cuadripolar es aplicable al t. siempre y cuando, en su región "activa", el t. trabaje linealmente, o sea, son pequeñas las variaciones alrededor del punto de reposo, por lo que pueden considerarse constantes los parámetros del t. para todo el margen de variación de las señales externas que se puedan aplicar al mismo.

La relación funcional que aparece en la fig. 8, y que caracteriza al cuadripolo, expresa las variaciones de la corriente de salida y voltaje de entrada, cuya medida es factible, en función de la corriente de entrada y del voltaje de salida, también medibles. La fig. 9 presenta tres configuraciones cuadripolares del t. junto a sus modelos híbridos y ecuaciones funcionales características. Estas relaciones funcionales son precisamente las curvas características del t. (fig. 7). Habitualmente se especifican dos familias de curvas para el transistor. Las "curvas características de salida" describen gráficamente la relación entre la corriente y la tensión de salida, con la corriente de entrada como parámetro. Las "características de entrada" describen la relación entre la tensión y la corriente de entrada, con la tensión de salida como parámetro. Si se conocen las características de entrada ysalida de una configuración particular del t., pueden determinarse gráficamente los parámetros híbridos del t. para tal configuración, parámetros que para todo t. comercial son facilitados por el fabricante. La tabla 1 presenta las relaciones entre los parámetros híbridos de una configuración y las dos restantes.

5. Transistores especiales. Aunque el t. de unión es el tipo más importante por su amplio uso, cierto número de t. de gran interés han sido desarrollados. El t. de efecto de campo (FET) mejora el comportamiento del t. de unión en altas frecuencias; en el FET el flujo de los portadores mayoritarios es controlado mediante un voltaje externo aplicado a la unión "pn", lo que hace que aparezca una gran impedancia de entrada, y la aceleración de los portadores mayoritarios, respondiendo al voltaje externo aplicado, reduce el tiempo de transporte de los portadores desde la entrada a la salida. De interés son también los t. de unión de construcción similar a la del FET y los SCR ("silicon controlled rectifiers"), que son esencialmente t. de unión, de estructura "pnpn", y que se obtiene añadiendo una tercera unión "pn" al t. normal. El t. denominado diodo de cuatro capas es un SCR cuya conexión exterior es distinta.

C. RANZ GUERRA.

BIBL.: T. S. GRAY, Electrónica básica, Barcelona 1956; M. R. GAVIN y J. HOULDIN, Principios de electrónica, Madrid 1965; J. MILLMAN y H. TAUB, Pulse, Digital, and Switching wavetorms, Nueva York l%5; J. J. BROPHY, Basic Electronics for Scientists, Nueva York 1966; ÍD, Serniconductor Devices, Nueva York 1964; J. MILLMAN y C. HAMAS, Dispositivos y circuitos elecTRANSJORDANIAtrónicos, Salamanca 1972; K. J. DEAN, Transistors, Theory and Circuitry, Nueva York 1964; L. GIACOLFTTO, junction Transi - stors Equivalent Circuit, "Proc. IRE" 40, moviembre 1952, 14901493; L. J. SEVIN, Field-effect transistors, Nueva York 1965.